高压与电磁干扰下稳定系统的“定海神针”——隔离芯片

电子发烧友网报道（文/黄山明）在储能系统中，如何在高压与电磁干扰较大的情况下确保系统可靠性与安全性是一个难题。而隔离芯片便可以解决这些问题，该芯片主要用于实现不同电路域之间的安全、可靠隔离，防止高压、噪声、浪涌等对低压或敏感电路的影响，同时保证信号的有效传输。
 
需要知道在电气系统中，各种设备在运行过程中会产生电磁干扰（EMI），这些干扰可能会通过电源线、信号线等途径传播，影响通信线路上的信号质量。电气噪声会导致数据传输中的位错误、信号失真，甚至完全丢失信号，从而造成通信错误。此外还有如电压尖峰、地环路干扰、电源问题以及设备老化等导致的电气问题。
 
为了减少电气问题对通信和设备的影响，通常会采取一系列措施，如使用隔离芯片进行信号隔离、采用滤波器减少电气噪声、确保良好的接地、使用稳压电源等。
 
早期的隔离技术主要是通过简单的物理隔离方式，如变压器耦合和光耦合器，这两种技术分别利用电磁感应和光电效应实现信号的非接触式传输，从而达到隔离目的。
 
从20世纪70年代开始，随着半导体技术的发展，光耦合器开始广泛应用在工业控制和通信系统中，它们能够实现基本的电气隔离，但由于响应速度较慢、寿命有限等原因，在高速、高性能应用场合存在局限。
 
进入20世纪90年代后，数字隔离器开始得到广泛应用。这些器件采用了更为先进和高效的隔离技术，如基于CMOS工艺的高速光耦合器和磁耦合技术，大大提升了数据传输速度和可靠性，还降低了功耗。
 
随着ADI等公司开发出基于磁隔离技术的数字隔离器，隔离性能得到显著提升，解决了光耦合器的一些固有问题，如老化、响应速度慢、温漂大等，适用于更高频率和更大数据速率的场合。
 
近年来，电容隔离技术作为一种新型的隔离方式，以其更低的功耗、更快的速度和更高的集成度吸引了业界的关注。例如，Silicon Labs推出的基于电容隔离技术的产品提供了非常高的数据速率和出色的性能。
 
现代隔离芯片向着高度集成和多功能化的方向发展，集成了更多的接口功能，如USB、UART、I2C、SPI、CAN等协议的隔离，以及集成DC/DC转换器以简化系统设计。
 
随着物联网、新能源、智能电网等领域的发展，接口隔离芯片愈发注重智能化、安全性，提供更强的抗噪能力、更好的EMC性能，并遵循更严格的安全标准，如IEC 60747-5-x系列标准。
 
各类储能隔离芯片及其特点
 
隔离芯片在储能系统中发挥着至关重要的作用，它们能够提供信号的隔离传输，确保系统的安全和稳定运行。当然，隔离芯片中也分许多种，比如光耦隔离芯片、磁耦隔离芯片、电容隔离芯片等。
 
其中光电耦合器是最常用的隔离芯片之一，它们利用发光二极管和光电二极管或光敏三极管的配合，实现电信号的光-电转换，从而达到电气隔离的目的。比较有代表性的如铠侠的TLP系列，Keysight Technologies的HCNR系列，Vishay的6N137/6N138等。
 
而磁耦隔离芯片主要是通过磁场耦合而非电场或光场，实现信号的隔离传输，特别适用于高速数据传输场合，比如Silicon Labs的Si8xx系列、ADI的ADuM系列等。
 
电容式隔离芯片通过电容器作为隔离元件，实现低功耗、高速度的信号隔离，例如Silicon Labs的Capacitive Isolation Technology (CIT) 技术的产品。
 
国内也有许多储能隔离芯片解决方案，各具特点。比如纳芯微的NSi8100隔离接口芯片，这是一款具有高隔离耐压（5kVrms）、高共模抗扰以及高集成度的隔离接口芯片。该芯片提供了 I2C、RS-485、CAN 等不同标准的接口芯片，能够在满足安规要求的同时提供丰富的余量。还具备优异的系统级 ESD 防护及抗浪涌能力，性能指标达到或优于国际竞品水平。
 
致远电子的全隔离型CAN收发器SM1500，是一款集成了CAN收发电路、电源隔离、信号隔离的CAN收发器，隔离耐压值高达3500V，适用于汽车电子、工业控制等领域。
 
当然CAN收发器本身并不算隔离芯片，但为了提高系统可靠性、防止接地环路干扰、保护敏感电路不受外部过电压冲击以及确保系统电气安全，致远电子在CAN收发器的基础上加入隔离功能，这样就形成了隔离型CAN收发器。
 
随着技术发展和市场需求的变化，隔离芯片厂商不断推陈出新，以上列举的只是部分例子，并不能囊括所有国内企业的全部产品。每家公司的隔离芯片产品都有各自的技术特点和优势，设计时应根据储能系统的具体需求来选用合适的产品。
 
总结
 
隔离芯片在储能产品中发挥着关键作用，不仅保障了系统的安全性和可靠性，还有助于满足严格的安规要求，提高产品的整体性能和市场竞争力。而隔离芯片从过去简单物理隔离向高度集成、高速、低功耗和智能方向的转变，开始适应现代电子系统对数据传输安全、可靠和高效的要求。